冲压工艺与模具设计实例.doc

第一节 冲压工艺与模具设计的内容及步骤 冲压工艺与模具设计是进行冲压生产的重要技术准备工作。冲压工艺与模具设计应结合工厂的设备、人员等实际情况，从零件的质量、生产效率、生产成本、劳动强度、环境的保护以及生产的安全性各个方面综合考虑，选择和设计出技术先进、经济上合理、使用安全可靠的工艺方案和模具结构，以使冲压件的生产在保证达到设计图样上所提出的各项技术要求的基础上，尽可能降低冲压的工艺成本和保证安全生产。一般来讲，设计的主要内容及步骤包括： 工艺设计(1) 零件及其冲压工艺性分析 根据冲压件产品图，分析冲压件的形状特点、尺寸大小、精度要求、原材料尺寸规格和力学性能，并结合可供选用的冲压设备规格以及模具制造条件、生产批量等因素，分析零件的冲压工艺性。良好的冲压工艺性应保证材料消耗少、工序数目少、占用设备数量少、模具结构简单而寿命高、产品质量稳定、操作简单。(2) 确定工艺方案，主要工艺参数计算 在冲压工艺性分析的基础上，找出工艺与模具设计的特点与难点，根据实际情况提出各种可能的冲压工艺方案，内容包括工序性质、工序数目、工序顺序及组合方式等。有时同一种冲压零件也可能存在多个可行的冲压工艺方案，通常每种方案各有优缺点，应从产品质量、生产效率、设备占用情况、模具制造的难易程度和寿命高低、生产成本、操作方便与安全程度等方面进行综合分析、比较，确定出适合于现有生产条件的最佳方案。此外，了解零件的作用及使用要求对零件冲压工艺与模具设计是有帮助的。工艺参数指制定工艺方案所依据的数据，如各种成形系数（拉深系数、胀形系数等）、零件展开尺寸以及冲裁力、成形力等。计算有两种情况，第一种是工艺参数可以计算得比较准确，如零件排样的材料利用率、冲裁压力中心、工件面积等；第二种是工艺参数只能作近似计算，如一般弯曲或拉深成形力、复杂零件坯料展开尺寸等，确定这类工艺参数一般是根据经验公式或图表进行粗略计算，有些需通过试验调整；有时甚至没有经验公式可以应用，或者因计算太繁杂以致于无法进行，如复杂模具零件的刚性或强度校核、复杂冲压零件成形力计算等，这种情况下一般只能凭经验进行估计。(3) 选择冲压设备 根据要完成的冲压工序性质和各种冲压设备的力能特点，考虑冲压加工所需的变形力、变形功及模具闭合高度和轮廓尺寸的大小等主要因素，结合工厂现有设备情况来合理选定设备类型和吨位。常用冲压设备有曲柄压力机、液压机等，其中曲柄压力机应用最广。冲裁类冲压工序多在曲柄压力机上进行，一般不用液压机；而成形类冲压工序可在曲柄压力机或液压机上进行。 模具设计模具设计包括模具结构形式的选择与设计、模具结构参数计算、模具图绘制等内容。(1) 模具结构形式的选择与设计 根据拟定的工艺方案，考虑冲压件的形状特点、零件尺寸大小、精度要求、生产批量、模具加工条件、操作方便与安全的要求等选定与设计冲模结构形式。(2) 模具结构参数计算 确定模具结构形式后，需计算或校核模具结构上的有关参数，如模具工作部分(凸、凹模等)的几何尺寸、模具零件的强度与刚度、模具运动部件的运动参数、模具与设备之间的安装尺寸，选用和核算弹性元件等。(3) 绘制模具图 模具图是冲压工艺与模具设计结果的最终体现，一套完整的模具图应该包括模具和使用模具的完备信息。模具图的绘制应该符合国家制定的制图标准，同时考虑模具行业的特殊要求与习惯。模具图由总装图和非标准件的零件图组成。总装配图主要反映整个模具各个零件之间的装配关系，应该对应绘制说明模具构造的投影图，主要是主视图和俯视图及必要的剖面、剖视图，并注明主要结构尺寸，如闭合高度、轮廓尺寸等。习惯上俯视图由下模部分投影而得，同时在图纸的右上角绘出工件图、排样图，右下方列出模具零件的明细表，写明技术要求等。零件图一般根据模具总装配图测绘，也应该有足够的投影各必要的剖面、剖视图以将零件结构表达清楚。此外，要标注零件加工所需的所有结构尺寸、公差、表面粗糙度、热处理及其他技术要求。对于一个完整的生产过程，冲压工艺与模具设计是密不可分的，二者相互联系，相互影响，因此前述督可能需要交叉、反复进行。若方案有变化，则需重新进行设计计算。 编写工艺文件及设计计算说明书为了规范生产，加强管理，每一种冲压产品的生产需写相应的工艺文件(如工序卡片)。对零件冲压工艺和模具设计应编写设计计算说明书，以供日后查阅。设计计算说明书应该包括冲压件的工艺分析以及模具设计的主要内容。第二节 冲压工艺与模具设计实例一、摩托车侧盖前支承冲压工艺设计 图12-1所示为摩托车侧盖前支承零件示意图，材料Q215钢，厚度1.5mm，年生产量5万件，要求编制该冲压工艺方案。 零件及其冲压工艺性分析摩托车侧盖前支承零件是以2个mm的凸包定位且焊接组合在车架的电气元件支架上，腰圆孔用于侧盖的装配，故腰圆孔位置是该零件需要保证的重点。另外，该零件属隐蔽件，被侧盖完全遮蔽，外观上要求不高，只需平整。图12-1 侧盖前支承零件示意图该零件端部四角为尖角，若采用落料工艺，则工艺性较差，根据该零件的装配使用情况，为了改善落料的工艺性，故将四角修改为圆角，取圆角半径为2mm。此外零件的“腿”较长，若能有效地利用过弯曲和校正弯曲来控制回弹，则可以得到形状和尺寸比较准确的零件。腰圆孔边至弯曲半径R中心的距离为2.5mm。大于材料厚度（1.5mm），从而腰圆孔位于变形区之外，弯曲时不会引起孔变形，故该孔可在弯曲前冲出。 确定工艺方案首先根据零件形状确定冲压工序类型和选择工序顺序。冲压该零件需要的基本工序有剪切(或落料)、冲腰圆孔、一次弯曲、二次弯曲和冲凸包。其中弯曲决定了零件的总体形状和尺寸，因此选择合理的弯曲方法十分重要。(1) 弯曲变形的方法及比较 该零件弯曲变形的方法可采用如图12-2所示中的任何一种。第一种方法(图12-2a)为一次成形，其优点是用一副模具成形，可以提高生产率，减少所需设备和操作人员。缺点是毛坯的整个面积几乎都参与激烈的变形，零件表面擦伤严重，且擦伤面积大，零件形状与尺寸都不精确，弯曲处变薄严重，这些缺陷将随零件“腿”长的增加和“腿”长的减小而愈加明显。 第二种方法(图12-2b)是先用一副模具弯曲端部两角，然后在另一副模具上弯曲中间两角。这显然比第一种方法弯曲变形的激烈程度缓和的多，但回弹现象难以控制，且增加了模具、设备和操作人员。第三种方法(图12-2c)是先在一副模具上弯曲端部两角并使中间两角预弯45，然后在另一副模具上弯曲成形，这样由于能够实现过弯曲和校正弯曲来控制回弹，故零件的形状和尺寸精确度高。此外，由于成形过程中材料受凸、凹模圆角的阻力较小，零件的表面质量较好。这种弯曲变形方法对于精度要求高或长“脚”短“脚”弯曲件的成形特别有利。图12-2 弯曲成形a)一副模具成形 b)、c)两副模具成形(2) 工序组合方案及比较 根据冲压该零件需要的基本工序和弯曲成形的不同方法，可以作出下列各种组合方案。方案一：落料与冲腰圆孔复合、弯曲四角、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。方案二：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是模具结构简单，投产快，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，而且工序分散，占用设备和人员多。方案三：落料与冲腰圆孔复合、弯曲端部两角并使中间两角预弯45、弯曲中间两角、冲凸包。其优点是工件回弹容易控制，尺寸和形状精确，表面质量好，对于这种长“腿”短“脚”弯曲件的成形特别有利，缺点是工序分散，占用设备和人员多。方案四：冲腰圆孔、切断及弯曲四角连续冲压、冲凸包。其优点是工序比较集中，占用设备和人员少，但回弹难以控制，尺寸和形状不精确，表面擦伤严重。方案五：冲腰圆孔、切断及弯曲端部冲腰圆孔、切断连续冲压、弯曲中间两角、冲凸包。这种方案实质上与方案二差不多，只是采用了结构复杂的连续模，故工件回弹难以控制，尺寸和形状不精确。方案六：将方案三全部工序组合，采用带料连续冲压。其优点是工序集中，只用一副模具完成全部工序，其实质是把方案三的各工序分别布置在连续模的各工位上，所以还具有方案三的各项优点，缺点是模具结构复杂，安装、调试和维修困难。制造周期长。综合上述，该零件 虽然对表面外观要求不高，但由于“腿”特别长，需要有效地利用过弯曲和校正来控制回弹，其方案三和方案六都能满足这一要求，但考虑到该零件件生产批量不是太大，故选用方案三，其冲压工序如下：落料冲孔、一次弯形（弯曲端部两角并使中间两角预弯45）、二次弯形(弯曲中间两角)、冲凸包。 主要工艺参数计算(1) 毛坯展开尺寸 展开尺寸按图12-3分段计算。毛坯展开长度式中 =12.5mm; =45.5m; =30mm; 和按计算。其中圆周半径r分别为2mm和4mm，材料厚度t=1.5mm，中性层位置系数x按由表3-2查取。当r=2mm时取x=0.43，r=4mm时取x=0.46。将以上数值代入上式得考虑到弯曲时材料略有伸长，故取毛坯展开长度L=168mm。对于精度要求高的弯曲件，还需要通过试弯后进行修正，以获得准确的展开尺寸。(2) 确定排样方案和计算材料利用率1) 确定排样方案，根据零件形状选用合理的排样方案，以提高材料利用率。该零件采用落料与冲孔复合冲压，毛坯形状为矩形，长度方向尺寸较大，为便于送料，采用单排方案（见图12-4）。图12-3 毛坯计算图 图12-4 排样方案 搭边值和由表2-12查得，得=2mm,=1.8mm。2) 确定板料规格和裁料方式。根据条料的宽度尺寸，选择合适的板料规格，使剩余的边料越小越好。该零件宽度用料为172mm，以选择1.5mm710mm1420mm的板料规格为宜。裁料方式既要考虑所选板料规格、冲制零件的数量，又要考虑裁料操作的方便性，该零件以纵裁下料为宜。对于较为大型的零件，则着重考虑冲制零件的数量，以降低零件的材料费用。(3) 计算材料消耗工艺定额和材料利用率。根据排样计算，一张钢板可冲制的零件数量为n=459=236(件)。材料消耗工艺定额 材料利用率=79.7% 零件面积由图12-5计算得出。图12-5 落料、冲孔工序略图 计算各工序冲压力和选择冲压设备(1) 第一道工序落料冲孔(见图12-6) 该工序冲压力包括冲裁力，卸料力和推料力，按图12-6所示的结构形式，系采用打杆在滑块快回到最高位置时将工件直接从凹模内打出，故不再考虑顶件力。冲裁力式中 L剪切长度; t 材料厚度（1.5mm）;拉深强度，由表8-49查取，取=400Mpa； 抗剪强度。剪切长度L按图12-5所示尺寸计算式中落料长度(mm)；冲孔长度(mm)。将图示尺寸代入计算公式可得因此，=376+65=441mm将以上数值代入冲裁力计算公式可得落料卸料力式中 卸料力系数，由表2-8查取；落料力(N)。将数值代入卸料力公式可得_冲孔推件力式中梗塞件数量(即腰圆形废料数)，取n=4；推件力系数，由表2-8查取； 冲孔力(N)。将数值代入推件力公式可得第一道工序总冲压力 =264600+9024+8580 =282204282（kN）选择冲压设备时着重考虑的主要参数是公称压力、装模高度、滑块行程、台面尺寸等。根据第一道工序所需的冲压力，选用公称压力为400kN的压力机就完全能够满足使用要求。(2) 第二道工序一次弯形(见图12-7) 该工序的冲压力包括预弯中部两角和弯曲、校正 端部两角及压料力等，这些力并不是同时发生或达到最大值的，最初只有压弯力和预弯力，滑块下降到一定位置时开始压弯端部两角，最后进行校正弯曲，故最大冲压力只考虑校正弯曲力和压料力。校正弯曲力 式中 校正部分的投影面积单位面积校正(MPa)，由表3-11查取，=100Mpa。结合图12-1、图12-5所示尺寸计算式如下校正弯曲力压料力为自由弯曲力的30%80%。自由弯曲力(表3-10) 式中系数 =1.2；弯曲件宽度 =22mm;料厚=1.5mm；抗拉强度=400MPa； 支点间距近似取10mm。将上述数据代入表达式，得：取，得压料力 =50%2376=1188则第二道工序总冲压力 根据第二道工序所需要的冲压力，选用公称压力为400kN的压力机完全能够满足使用要求。（3）第三道工序二次弯形(见图12-8) 该工序仍需要压料，故冲压力包括自由弯曲力和压料力。自由弯曲力 压料力 则第三道工序总冲压力第三道工序所需的冲压力很小，若单从这一角度考虑，所选的压力机太小，滑块行程不能满足该工序的加工需要。故该工序宜选用滑块行程较大的400kN的压力机。（4）第四道工序冲凸包（见图12-9） 该工序需要压料和顶料，其冲压力包括凸包成形力和卸料力及顶件力，从图12-1所示标注的尺寸看，凸包的成形情况与冲裁相似，故凸包成形力可按冲裁力公式计算得凸包成形力 卸料力 顶件力 (系数、由表2-8查取)则第四道工序总冲压力从该工序所需的冲压力考虑，选用公称压力为40kN的压力机就行了，但是该工件高度大，需要滑块行程也相应要大，故该工序选用公称压力为250kN的压力机。 模具结构形式的确定落料冲孔模具、一次弯形模具、二次弯形模具、冲凸包模具结构形式分别见图12-6、图12-7、图12-8、图12-9。图12-6 落料冲孔模具结构形式 图12-7 一次弯形模具结构形式图12-8 二次弯形模具结构形式 图12-9 冲凸包模具结构形式 二、微型汽车水泵叶轮冲压工艺与模具设计 图12-10所示叶轮零件，材料08AlZF，大批量生产。要求确定该零件冲压成形工艺，设计冲压成形模具。 零件及其冲压工艺性分析叶轮用于微型汽车上发动机冷却系统的离心式水泵内，工件时以15003000r/min左右的速度旋转，使冷却水在冷却系统中不断地循环流动。为保证足够的强度和刚度，叶轮采用厚度为2mm的钢板。叶轮材料为铝镇钢08Al。该材料按拉深质量分为三级：ZP（用于拉深最复杂零件），HF（用于拉深很复杂零件）和F（用于拉深复杂零件）。由于形状比较复杂，特别是中间的拉深成形难度大，叶轮零件采用ZF级的材料，表面质量也为较高的级。表12-1列出08AlZF的力学性能。图12-10 叶轮零件示意图材料：钢板为减轻震动，减小噪声，叶轮零件的加工精度有一定的要求。除了7个叶轮形状和尺寸应一致外，叶轮中部与固定轴配合部位的要求也较高。由于靠冲压加工难以达到直径和以及高度尺寸的要求，实际生产中采用了冲压成形后再切削加工的办法（需进行切削加工的表面标有粗糙度，图12-10）。冲压成形后要留有足够的机加余量，因此孔和的冲压尺寸取为和。直径为一般要求的自由尺寸，冲压成形的直径精度的偏差大于表4-1拉深直径的极限偏差。但高度尺寸精度高于表4-3中的尺寸偏差，需由整形保证。表12-1 08AlZF的力学性能(GB/T52131985T和GB/T7101991)/MPa(%)不 小 于260300200440.66初步分析可以知道叶轮零件的冲压成形需要多道工序。首先，零件中部是有凸缘的圆筒拉深件，有两个价梯，筒底还要冲的孔；其次，零件外圈为翻边后形成的7个“竖立”叶片，围绕中心均匀分布。另外，叶片翻边前还要修边、切槽、由于拉深圆角半径比较小（0.51），加上对叶片底面有跳动度的要求，因此还需要整形。对拉深工序，在叶片展开前，按料厚中心线计算有4.531.4，并且叶片展开后凸缘将更宽，所以属于宽凸缘拉深。另外，零件拉深度大（如最小价梯直径的相对高度h/d=20.5/13.5=1.52，远大于一般带凸缘筒形件第一次拉深许可的最大相对拉深高度），所以拉深成形比较困难，要多次拉深。对于冲裁及翻边工序，考虑到零件总体尺寸不大，而且叶片“竖直”后各叶片之间的空间狭小，结构紧凑，另外拉深后零件的底部还要冲的孔，所以模具结构设计与模具制造有一定难度，要特别注意模具的强度和刚度。综上所述，叶轮由平板毛坯冲压成形应包括的基本工序有：冲裁（落料、冲孔、修边与切槽）、拉深（多次拉深）、翻边（将外圈叶片翻成竖直）等。由于是多工序、多套模具成形，还要特别注意各工序间的定位。 确定工艺方案由于叶轮冲压成形需多道次完成，因此制定合理的成形工艺方案十分重要。考虑到生产批量大，应在生产合格零件的基础上尽量提高生产率效率，降低生产成本。要提高生产效率，应该尽量复合能复合的工序。但复合程度太高，模具结构复杂，安装、调试困难，模具成本提高，同时可能降低模具强度，缩短模具寿命。根据叶轮零件实际情况，可能复合的工序有：落料与第一次拉深；最后一次拉深和整形；修边、切槽；切槽、；冲孔；修边、冲孔；切槽、冲孔。根据叶轮零件形状，可以确定成形顺序是先拉深中间的价梯圆筒形，然后成形外圈叶片。这样能保持已成形部位尺寸的稳定，同时模具结构也相对简单。修边、切槽、冲孔在中间阶梯拉深成形后以及叶片翻边前进行。为保证7个叶片分度均匀，修边和切槽不要逐个叶片地冲裁。因此叶轮的冲压成形主要有以下几种工艺方案：方案一： 1) 落料； 2) 拉深 (多次)； 3) 整形； 4) 修边； 5) 切槽； 6) 冲孔； 7) 翻边。方案二： 1) 落料与第一次拉复合； 2) 后续拉深； 3) 整形； 4) 切槽、修边、冲孔复合； 5) 翻边。方案三： 1) 落料与第一次拉深复合； 2) 后续拉深； 3) 整形； 4) 切槽、冲孔复合； 5) 修边； 6) 翻边。方案四： 1) 落料与第一次拉深复合； 2) 后续拉深； 3) 整形； 4) 修边、冲孔复合； 5) 切槽； 6) 翻边。方案五： 1) 落料与第一次拉深复合； 2) 后续拉深； 3) 整形； 4) 切槽； 5) 修边、冲孔复合 6) 翻边。方案一复合程度低，模具结构简单，安装、调试容易，但生产道次多，效率低，不适合大批量生产。方案二至五将落料、拉深复合，主要区别在于修边、切槽、冲孔的组合方式以及顺序不同。需要注意的是，只有当拉深件高度较高，才有可能采用落料、拉深复合模结构形式，因为浅拉深件若采用落料、拉深复合模具结构，落料凸模（同时又是拉深凹模）的壁厚太薄，强度不够。方案二将修边、切槽、冲孔复合，工序少，生产率最高，但模具结构复杂，安装、调试困难，同时模具强度也较低。方案三将切槽和冲孔组合，由于所切槽与中间孔的距离较近，因此在模具结构上不容易安排，模具强度差。所以较好的组合方式应该是修边和冲孔组合，而切槽单独进行，如方案四、五。方案四与方案五主要区别在于一个先修边、冲孔后切槽， 一个先切槽后修边、冲孔。由于切槽与修边有相对位置关系，而所切槽尺寸比较小，如果先切槽则修边模具上不好安排定位，所以实际选择了方案四，即先修边、冲孔后切槽，然后翻边成形竖立叶片。 主要工艺参数计算(1) 落料尺寸 落料尺寸即零件平面展开尺寸，叶轮零件基本形状为圆形，因此落料形状也应该为圆形，需确定的落料尺寸为圆的直径。带有凸缘的筒形拉深成形件，展开尺寸可按第四章有关公式计算。但根据叶轮零件图，不能直接得到凸缘尺寸。在计算落料尺寸之间，要将竖立的叶片“落料尺寸。图12-11 叶轮叶片的展开严格来说，叶轮成形“竖直”叶片的工序属于平面外凸曲线翻边（参考第五章第三节）。但根据零件图，由于翻转曲线的曲率半径比较大，为简化计算可以近似按弯曲变形来确定展开尺寸，如图12-11所示。因为弯曲半径r=0.510.5t=1，所以可以按表3-5弯曲坯料展开的计算公式计算。经计算，叶片展开后，凸缘尺寸为（单位mm，下同）。 ，查表4-5，可取修边余量为2.2。因此凸缘直径为76+2.2=80.4取凸缘尺寸，于是得到叶轮拉深成形尺寸，如图12-12所示。 图12-12 叶轮拉深成形尺寸(按料厚中心线标注)根据叶轮拉深成形尺寸，要以算出零件总体表面积A约为5890。按照一般拉深过程表面积不变的假设，可得到落料直径 因圆角半径较小，近似由第四章表4-7公式5计算落料直径代入=16，=4.5 ，得。最后取落料直径。 落料尺寸确定后，需要排样方案。圆形件排样比较简单，根据本例中零件尺寸大小，可采用简单的单排排样形式。冲裁搭边值可以按表2-12选取，取沿边搭边值，工件间搭边值。（2）拉深道次及各道次尺寸 叶轮拉深成形后为带阶梯的宽凸缘件，成形较为困难，需多次拉深。根据图12-12所示叶轮拉深件形状，成形过程可分为两个步骤：首先按宽凸缘件拉深成形方法，拉成所要求凸缘直径的筒形件（内径、凸缘直径），然后，若将由内径的筒形部分逐次拉成内径的阶梯，视为拉深成内径为直筒件的中间过程，则可以近似用筒形件拉深计算方法计算阶梯部分（内径）的成形，但应保证首次拉深成形后的凸缘尺寸在后续拉深过程中保持不变。以下尺寸按料厚中心线计算。1) 由毛坯拉成内径、凸缘直径的圆形件：判断能否一次拉成。带凸缘筒形件第一拉深的许可变形程度可用对应于和不同比值的最大相对拉深高度来表示。根据图12-12，对叶轮零件，,由表4-20查得。在本例中，内径的圆筒件高度未定。可以先确定拉深圆角半径，然后求出直径的毛坯拉成内径为的圆筒件高度，最后利用判断能否一次拉出。取圆角半径。按公式4-11可求出拉深高度因，所以一次拉深了出来。在凸缘件的多次拉深中，为了保证以后拉深时凸缘不参加变形，首先拉深时，拉入凹模的材料应比零件最后拉深部分所需要材料多一些（按面积计算），但叶轮相对厚度较大，可不考虑多拉材料。如果忽略材料壁厚变化，凸缘内部形状在拉深过程应满足表面积不变条件。用逼近法确定第一次拉深直径 计算见表12-2表 12-2相对凸缘直径假定值毛坯相对厚度第一次拉深直径实际拉深系数极限拉深系数由表4-21查得拉深系数差值1.